BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Dasar Koordinasi Proteksi Pada Sistem Kelistrikan Keandalan dan kemampuan suatu sistem tenaga listrik dalam melayani
konsumen sangat tergantung pada sistem proteksi yang digunakan. Oleh sebab itu dalam perencangan suatu sistem tenaga listrik, perlu dipertimbangkan kondisikondisi gangguan yang mungkin terjadi pada sistem, melalui analisa gangguan. Dari hasil analisa gangguan, dapat ditentukan sistem proteksi yang akan digunakan, seperti: spesifikasi switchgear, rating circuit breaker (CB) serta penetapan besaran-besaran yang menentukan bekerjanya suatu rele (setting rele) untuk keperluan proteksi. Proteksi sistem tenaga listrik adalah sistem proteksi yang dipasang pada peralatan-peralatan listrik suatu sistem tenaga listrik, misalnya generator, transformator, jaringan dan lain-lain, terhadap kondisi abnormal operasi sistem itu sendiri. Kondisi abnormal itu dapat berupa antara lain: hubung singkat, tegangan lebih, beban lebih, frekuensi sistem rendah, asinkron dan lain-lain. Dengan kata lain sistem proteksi itu bermanfaat untuk: 1.
Menghindari ataupun untuk mengurangi kerusakan peralatan-peralatan akibat gangguan (kondisi abnormal operasi sistem). Semakin cepat reaksi perangkat proteksi yang digunakan maka akan semakin sedikit pengaruh gangguan kepada kemungkinan kerusakan alat.
6
7
2.
Cepat melokalisir luas daerah yang mengalami gangguan, menjadi sekecil mungkin.
3.
Dapat memberikan pelayanan listrik dengan keandalan yang tinggi kepada konsumen dan juga mutu listrik yang baik.
4.
Mengamankan manusia terhadap bahaya yang ditimbulkan oleh listrik.
Pengetahuan mengenai arus-arus yang timbul dari berbagai tipe gangguan pada suatu lokasi merupakan hal yang sangat esensial bagi pengoperasian sistem proteksi secara efektif. Jika terjadi gangguan pada sistem, para operator yang merasakan adanya gangguan tersebut diharapkan segera dapat mengoperasikan circuit Breaker yang tepat untuk mengeluarkan sistem yang terganggu atau memisahkan pembangkit dari jaringan yang terganggu. Sangat sulit bagi seorang operator untuk mengawasi gangguan-gangguan yang mungkin terjadi dan menentukan CB mana yang dioperasikan untuk mengisolir gangguan tersebut secara manual. Mengingat arus gangguan yang cukup besar, maka perlu secepat mungkin dilakukan proteksi. Hal ini perlu suatu peralatan yang digunakan untuk mendeteksi keadaan-keadaan yang tidak normal tersebut dan selanjutnya menginstruksikan circuit breaker yang tepat untuk bekerja memutuskan rangkaian atau sistem yang terganggu. Dan peralatan tersebut kita kenal dengan rele. Ringkasnya proteksi dan tripping otomatik circuitcircuit yang berhubungan, mempunyai dua fungsi pokok, yaitu: 1.
Mengisolir peralatan yang terganggu, agar bagian-bagian yang lainnya tetap beroperasi seperti biasa.
8
2.
Membatasi kerusakan peralatan akibat panas lebih (over heating), pengaruh gaya-gaya mekanik dan seterusnya
Banyak hal yang harus dipertimbangkan dalam mempertahankan arus kerja maksimum yang aman. Jika arus kerja bertambah melampaui batas aman yang ditentukan dan tidak ada proteksi atau jika proteksi tidak memadai atau tidak efektif, maka keadaan tidak normal dan akan mengakibatkan kerusakan isolasi. Pertambahan arus yang berkelebihan menyebabkan rugi-rugi daya pada konduktor akan berkelebihan pula, sedangkan pengaruh pemanasan adalah sebanding dengan kwadrat dari arus x R x t Joule ..............……..……………………………..(2.1) Dimana; H = Panas yang dihasilkan (Joule) I = arus listrik (ampere) R = tahanan konduktor (ohm) t = waktu atau lamanya arus yang mengalir (detik) Proteksi harus sanggup menghentikan arus gangguan sebelum arus tersebut naik mencapai harga yang berbahaya. Proteksi dapat dilakukan dengan Sekering atau Circuit Breaker. Proteksi juga harus sanggup menghilangkan gangguan tanpa merusak peralatan proteksi itu sendiri. Untuk ini pemilihan peralatan proteksi harus sesuai dengan kapasitas arus hubung singkat “breaking capacity” atau Repturing Capacity. Disamping itu, sistem proteksi yang diperlukan harus memenuhi persyaratan sebagai berikut:
9
1.
Sekering atau circuit breaker harus sanggup dilalui arus nominal secara terus menerus tanpa pemanasan yang berlebihan (overheating).
2.
Overload yang kecil pada selang waktu yang pendek seharusnya tidak menyebabkan peralatan bekerja.
3.
Sistem Proteksi harus bekerja walaupun pada overload yang kecil tetapi cukup lama, sehingga dapat menyebabkan overheating pada rangkaian penghantar.
4.
Sistem Proteksi harus membuka rangkaian sebelum kerusakan yang disebabkan oleh arus gangguan yang dapat terjadi.
5.
Proteksi harus dapat melakukan “pemisahan” (discriminative) hanya pada rangkaian yang terganggu yang dipisahkan dari rangkaian yang lain yang tetap beroperasi.
Proteksi overload dikembangkan jika dalam semua hal rangkaian listrik diputuskan sebelum terjadi overheating. Jadi disini overload action relatif lebih lama dan mempunyai fungsi inverse terhadap kwadrat dari arus. Proteksi gangguan hubung singkat dikembangkan jika action dari sekering atau circuit breaker cukup cepat untuk membuka rangkaian sebelum arus dapat mencapai harga yang dapat merusak akibat overheating, arcing atau ketegangan mekanik.
2.2
Persyaratan Kualitas Sistem Proteksi Ada beberapa persyaratan yang sangat perlu diperhatikan dalam suatu
perencanaan sistem proteksi yang efektif, yaitu:
10
a) Selektivitas dan Diskriminasi Efektivitas ; Suatu sistem proteksi dapat dilihat dari kesanggupan sistem dalam mengisolir bagian yang mengalami gangguan saja. b) Stabilitas ; Sifat yang tetap inoperatif apabila gangguan-gangguan terjadi diluar zona yang melindungi (gangguan luar). c) Kecepatan Operasi ; Sifat ini lebih jelas, semakin lama arus gangguan terus mengalir, semakin besar kemungkinan kerusakan pada peralatan. Hal yang paling penting adalah perlunya membuka bagian-bagian yang terganggu sebelum generator-generator yang dihubungkan sinkron kehilangan sinkronisasi dengan sistem. Waktu pembebasan gangguan yang tipikal dalam sistem-sistem tegangan tinggi adalah 140 ms. Dimana dimasa mendatang waktu ini hendak dipersingkat menjadi 80 ms sehingga memerlukan rele dengan kecepatan yang sangat tinggi (very high speed rele). d) Sensitivitas (kepekaan) ; Yaitu besarnya arus gangguan agar alat bekerja. Harga ini dapat dinyatakan dengan besarnya arus dalam jaringan aktual (arus primer) atau sebagai prosentase dari arus sekunder (trafo arus). e) Pertimbangan ekonomis ; Dalam sistem distribusi aspek ekonomis hampir mengatasi aspek teknis, oleh karena jumlah feeder, transformer dan sebagainya yang begitu banyak, asal saja persyaratan keamanan yang pokok dipenuhi. Dalam suatu sistem transmisi justru aspek teknis yang penting. Proteksi relatif mahal, namun demikian pula sistem atau peralatan yang dilindungi dan jaminan terhadap kelangsungan peralatan
11
sistem adalah vital. Biasanya digunakan dua sistem proteksi yang terpisah, yaitu proteksi primer atau proteksi utama dan proteksi pendukung (back up). f)
Realiabilitas (keandalan) ; Sifat ini jelas, penyebab utama dari “outage” rangkaian adalah tidak bekerjanya proteksi sebagaimana mestinya (mal operation).
g) Proteksi Pendukung ; Proteksi pendukung (back up) merupakan susunan
yang
sepenuhnya
terpisah
dan
yang
bekerja
untuk
mengeluarkan bagian yang terganggu apabila proteksi utama tidak bekerja (fail). Sistem pendukung ini sedapat mungkin indenpendent seperti halnya proteksi utama, memiliki trafo-trafo dan rele-rele tersendiri. Seringkali hanya triping CB dan trafo -trafo tegangan yang dimiliki bersama oleh keduanya. Tiap-tiap sistem proteksi utama melindungi suatu area atau zona sistem daya tertentu. Ada kemungkinan suatu daerah kecil diantara zona-zona yang berdekatan misalnya antara trafo arus dan circuit breaker tidak dilindungi. Dalam keadaan seperti ini sistem back up (yang dinamakan, remote back up) akan memberikan perlindungan karena berlapis dengan zona-zona utama. Pada sistem distribusi aplikasi back up digunakan tidak seluas dalam sistem tansmisi,cukup jika hanya mencakup titik-titik strategis saja. Remote back up akan bereaksi lambat dan biasanya memutus lebih banyak dari yang diperlukan untuk mengeluarkan bagian yang terganggu.
12
2.3
Rele Arus Lebih Rele arus lebih adalah sebuah jenis rele proteksi yang bekerja berdasarkan
prinsip besarnya arus input yang masuk ke dalam peralatan sensing rele.Apabila besaran arus yang masuk melebihi harga arus yang telah disetting (IP) sebagai standart kerja rele tersebut, maka rele arus ini akan bekerja dan memberikan perintah pada CB untuk memutuskan sistem. Pada umumnya karena kebanyakan rele arus lebih memakai trafo arus ( CT ) sebagai alat bantu, maka besaran IP juga dinyatakan sebagai arus keluaran gulungan sekunder dari CT. Begitu pula apabila terjadi arus gangguan (IF) yang terjadi di dalam daerah pengamanan rele juga dinyatakan terhadap gulungan sekunder CT. Secara singkat prinsip kerja rele arus lebih dapat ditulis sebagai berikut :
Jika IF > IP maka rele bekerja ( trip )
Sebaliknya IF < IP maka rele tidak bekerja ( block ) Jadi apabila peralatan sensing daripada rele mendeteksi adanya besaran
arus gangguan yang lebih besar nilainya dari arus kerja yang telah disetting maka rele akan memberikan perintah untuk trip. Sedangkan apabila rele mendeteksi adanya arus gangguan namun besaran arus tersebut tidak melebihi besar nilai arus kerja maka rele akan memberikan perintah untuk block. Rele arus lebih ini umumnya digunakan pada sistem tegangan menengah sampai tegangan tinggi. Pengamanan dengan menggunakan rele arus lebih mempunyai beberapa keuntungan yaitu:
Pengamanannya sederhana.
13
Dapat sebagai pengaman utama dan berfungsi juga sebagai pengaman cadangan
Harganya relative murah.
Rele arus lebih pada umumnya digunakan sebagai pengaman :
Jaringan tegangan menengah / saluran distribusi
Untuk sistem tenaga listrik yang kecil dan radial
Untuk sistem tenaga listrik yang besar pengaman arus lebih hanya digunakan sebagai pengaman cadangan, karena untuk mengkoordinasi sulit untuk mendapatkan selektifitas yang baik.
Pengaman cadangan transformator tenaga dan generator.
Pengaman motor listrik yang kecil
Pengaman gangguan tanah untuk sistem distribusi ataupun saluran transmisi.
2.4
Prinsip Kerja Rele Arus Lebih Rele arus lebih adalah rele yang bekerja berdasarkan arus lebih akibat
adanya gangguan yang terjadi pada sistem akibat adanya gangguan hubung singkat atau adanya beban lebih (overload). Setelah mendeteksi adanya gangguan maka rele ini akan memberikan sinyal pada pemutus untuk memutuskan saluran sesuai dengan karakteristik waktu yang telah ditentukan. Skema kerja dari rele ini dapat dilihat pada (gambar 2.1). sebagai berikut.
14
Gambar 2.1. Rangkaian Rele Arus Lebih Pada kondisi normal dimana arus yang terdeteksi oleh kumparan sekunder dari CT tidak melebihi suatu besaran yang sebelumnya telah ditetapkan sebagai besaran standart maka kondisi CB akan tetap menutup dan arus pada sistem tetap mengalir ke bawah. Dalam kondisi ini tripping coil akan juga dalam kondisi menutup karena arus yang terdeteksi masih berada di bawah besaran standart yang telah ditentukan. Apabila suatu ketika terjadi sebuah gangguan pada sistem, maka harga arus yang mengalir pada sistem akan naik melampaui besaran standart yang telah ditentukan sebelumnya. Hal ini akan menyebabkan rele bekerja dengan pertama menutup kontak rele sesuai dengan harga arus dan karakteristik yang dimiliki oleh rele tersebut. Ini akan menyebabkan arus mengalir pada ke tripping coil sehingga kontak utama CB akan membuka. Karena terbukanya kontak utama CB, maka arus dari sistem tidak dapat lewat kembali atau terputus. Hal ini dimaksudkan untuk segera mengisolir daerah yang mengalami gangguan agar tidak sampai mempengaruhi daerah-daerah lain yang tidak terkena gangguan.
15
2.5
Karakteristik Rele Arus Lebih Koordinasi pada rele arus lebih untuk mendapatkan selektifitas terutama
dilakukan dengan seting waktu kerja rele, disamping juga karena ada perbedaan arus ada sisi hilir dan sisi hulunya. Pada rele arus lebih terdapat beberapa karakteristik waktu, yang dapat dikelompokan menjadi 4 jenis yaitu: 1.
waktu lebih seketika
2.
waktu lebih terbalik
3.
IDMT
4.
kombinasi antar waktu seketika dengan karakteristik lainnya.
2.5.1
Rele Arus Lebih Seketika Rele ini akan memberikan perintah pada CB pada saat terjadi gangguan
bila besar arus gangguannya melampaui penyetelannya (Im), dan jangka waktu kerja rele mulai pick-up sampai kerja rele sangat singkat tanpa penundaan waktu (20 – 60 mdet), lihat (gambar 2.2). Rele ini jarang berdiri sendiri tetapi umumnya dikombinasikan dengan rele lain.
Gambar 2.2. Karakteristik Waktu Seketika
16
Bila karena suatu hal sehingga harga arus beban (I) naik melebihi harga yang diijinkan, maka harga (lr) juga akan naik. Bila naiknya harga arus ini melebihi harga operasi dari rele, maka rele arus lebih seketika akan bekerja. Kerja dari rele ini ditandai dengan bergeraknya kontak rele untuk menutup kontak. Dengan demikian, rangkaian pemutus/trip akan tertutup. Untuk mengetahui bahwa rele ini bekerja, maka perlu dipasang suatu alarm. 2.5.2
Rele Arus Lebih Waktu Tertentu. Rele ini akan memberikan perintah pada PMT pada saat terjadi gangguan
bila besar arus gangguannya melampaui penyetelannya (Is), dan jangka waktu kerja rele mulai pick-up sampai kerja rele diperpanjang dengan waktu tertentu tidak tergantung besarnya arus
Gambar 2.3. Karakteristik Waktu Tertentu Dengan memasang rele kelambatan waktu, maka beroperasinya rangkaian rele akan tergantung pada penyetelan/setting waktu pada rele kelambatan waktunya. Sedangkan karakteristik kerjanya dapat dilihat pada gambar 2.4. Dengan pemasangan rele kelambatan waktu, maka pengaman akan bekerja bila dipenuhi kondisi sebagai berikut:
17
ttr = tmg + tpr + tpp ……………………………………....................(2.2) dimana: ttr = waktu total rele mulai terjadinya gangguan sampai dengan pemutus bekerja tmg = waktu mulai terjadinya gangguan sampai dengan rele pick-up tpr = waktu penundaan kerja rele tpp = waktu yang dibutuhkan pemutus bekerja 2.5.3
Rele Lebih Waktu Terbalik Rele ini akan memberikan perintah pada CB pada saat terjadi gangguan
bila besar arus gangguannya melampaui penyetelannya (Is), dan jangka waktu kerja rele mulai pick-up sampai kerja rele waktunya diperpanjang berbanding terbalik dengan besarnya arus (lihat gambar 2.4). Pada jenis ini karakteristik kecuraman waktu arus dapat beragam dan berdasarkan standar BS 142 th dikelompokan menjadi :
Standard inverse
Very inverse
Extreemely inverse
Gambar 2.4. Karakteristik Waktu Terbalik
18
2.5.4
Rele Arus Lebih IDMT Rele arus lebih dengan karakteristik IDMT (Inverse Definite Minimum
Time) mempunyai karakteristik kombinasi antara rele arus lebih waktu terbalik dan waktu tertentu. Didaerah awal seperti rele arus lebih waktu terbalik dan kemudian menjadi waktu tertentu (lihat gambar 2.5)
Gambar 2.5. Karakteristik Waktu IDMT 2.5.5
Kombinasi Rele Arus Lebih Waktu Tertentu, Terbalik dan IDMT Dengan Waktu Seketika. Rele arus lebih waktu seketika umunya tidak berdiri sendiri tetapi
digabung dengan rele arus lebih waktu tertentu atau waktu terbalik atau IDMT. Dalam hal ini bila arus yang melewati rele lebih dari arus seting (Is), tetapi lebih kecil dari arus seting seketika (Im), waktu kerjanya mengikuti karakteristik waktu tertentu, terbalik atau IDMT.
19
Gambar 2.6. Kombinasi Karakteristik Waktu Tertentu dan Seketika Sedangkan bila arus yang melewati rele lebih besar dari arus seting seketika, rele akan bekerja seketika, masing – masing
Gambar 2.7. Kombinasi Karakteristik Waktu Terbalik dan Seketika
Gambar 2.8. Kombinasi Karakteristik IDMT dan Seketika
20
2.6 2.6.1
Prinsip Dasar Perhitungan Penyetelan Arus (Is) Batas Penyetelan Minimum Rele arus Lebih. Batas penyetelan minimum rele arus lebih dinyatakan bahwa “rele arus
lebih tidak boleh bekerja pada saat terjadi beban maksimum”, sehingga :
………………………………..............................(2.3)
Di mana : : penyetelan arus : faktor keamanan, antara 1,1÷1,2 : faktor arus kembali : arus maksimum yang diijinkan pada peralatan yang
diamankan
(diambil nilai arus nominalnya) 2.6.2
Batas Penyetelan Maksimum Rele Arus Lebih Dinyatakan bahwa “rele harus bekerja bila terjadi gangguan hubung
singkat pada rel berikutnya”.
A
B
C
Gambar 2.9. Jaringan listrik yang terbagi dalam 3 zone Rele yang terdapat di A merupakan pengaman utama zone AB, sebagai pengaman cadangan untuk zone berikutnya BC dan C. Batas penyetelan maksimum dapat di tulis sebagai berikut:
21
2.6.3
(Pada Pembangkit Minimun)
Cara Penyetelan Rele Arus Lebih
2.6.3.1 Rele arus lebih definite Rele arus lebih waktu tertentu memungkinkan pengaturan waktu operasi yang bervariasi berdasarkan level arus yang berbeda. Setelan rele ini dapat disesuaikan sedemikian rupa sehingga pemutus yang paling dekat dengan sumber gangguan akan trip lebih cepat daripada yang lain, dan pengaman sisanya akan trip jika setelah waktu tunda yang diberikan gangguan masih berlanjut. Pada rele arus lebih waktu tertentu, semua level arus yang melebihi pickup setpoint-nya akan diputuskan dalam waktu yang sama (definite). Penyetelan arus Is :
........................................................................................... (2.4)
dimana : k=
konstanta perbandingan, besarnya tegantung dari pabrik pembuatnya, (umumnya 0,6~1,4 atau 1,0~2,0)
In =
arus nominal, dapat merupakan dua nilai yang merupakan kelipatannya. (misal 2,5 A atau 5,0 A; 1,0 A atau 2,0 A dan seterusnya)
2.6.3.2 Rele Arus Lebih Inverse Rele arus lebih waktu invers memiliki waktu operasi yang berbanding terbalik dengan besarnya arus gangguan. Dengan kata lain, semakin besar arus gangguan maka rele akan beroperasi dalam waktu yang semakin cepat, dan juga sebaliknya jika arus gangguan kecil maka waktu tunda operasi rele akan lebih
22
lama. Karakteristik invers ini dijelaskan dalam standar IEC 60255-3 dan BS 142. Standar ini mendefinisikan beberapa jenis perlindungan waktu invers yang dibedakan oleh gradien kurvanya, yaitu standard inverse, very inverse dan extremely inverse. Standar lain, misalnya standar IEEE juga memberikan karakteristik kurva yang lain, seperti moderately inverse, long time inverse, dan short time inverse. 2.6.4
Prinsip dasar perhitungan penyetelan waktu Penyetelan arus pada rele arus lebih pada umumnya didasarkan pada
penyetelan batas minimumnya, dengan demikian adanya gangguan hubung singkat di beberapa seksi berikutnya, rele arusnya akan bekerja. Untuk mendapatkan pengamanan yang selektif, maka penyetelan waktunya dibuat secara bertingkat. Selain hal itu persyaratan lain yang harus dipenuhi adalah bahwa pengamanan sistem secara keseluruhan harus rnasih bekerja secepat mungkin, akan tetapi masih seIektif. 2.6.4.1 Rele arus lebih Definite time Misal suatu jaringan sistem radial seperti pada gambar 2.10 dibawah:
A
B
C
F
Gambar 2.10. Prinsip Dasar Penyetelan Waktu Sistem Radial
23
Jika terjadi gangguan di titik F, maka untuk mendapatkan pengamanan yang selektif : tA > tB > tc. Karena pada rele arus lebih definite time waktu kerja rele tidak dipengaruhi oleh besarnya arus, maka untuk mendapatkan pengamanan yang baik perlu menentukan beda waktu (tingkatan waktu ∆t) antara dua tingkatan pengaman. Jadi untuk penyetelan waktu pada rangkaian tersebut diatas adalah : tC
=
tB
= t2
tA
=
t1
t3
=
t1 + ∆t
=
t1 + 2 ∆t
Misalkan suatu jaringan listrik radial seperti pada gambar berikut ini, seting waktu di bus D dipilih yang paling cepat, dengan waktu tD = 0,2 detik. Untuk menghindari agar rele tidak bekerja saat ada pemasukan beban baru, maka beban waktu dipilih sebesar 0,5 detik.
A
B
C
Gambar 2.11. Jaringan Listrik Sistem Radial Sehingga rele akan bekerja dengan beda waktu sebagai berikut : tD = 0,2 detik tC = 0,2 detik + 0,5 detik = 0,7 detik tB = 0,2 detik + 2 x 0,5 detik = 1,2 detik tA = 0,2 detik + 3 x 0,5 detik = 1,7 detik
D
24
Karakteristik arus waktunya tergambarkan sebagai berikut :
t
tA tB A
B
tC C
tD D
Gambar 2.12. Karakteristik Arus Waktu Sistem Radial 2.6.4.2 Rele arus lebih Inverse Syarat untuk setting waktu ( TD / Time dial atau TMS/ Time Multiple setting ) dari rele arus lebih jenis ini, harus diketahui data-data sebagai berikut :
Besarnya arus hubung singkat pada setiap bus
Penyetelan / setting arusnya (IS)
Kurve karakteristik rele yang dipakai Kerja rele secara keseluruhan harus cepat bereaksi dan selektif, sehingga
waktu kerja rele untuk dua bus yang berurutan pada lokasi gangguan yang sama harus mempunyai beda waktu ∆t minimum 0,4 s/d 0,5 detik. Adapun untuk tempat / lokasi gangguan yang berlainan pada satu rangkaian (satu pengamanan), maka rele akan bekerja sesuai dengan arus perkaliannya.
